基于ARM+OneNET云平臺(tái)的工廠車間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳繁森

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引 言

近些年，制造業(yè)的智能化發(fā)展倍受推崇，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展也為工廠智能化提供了技術(shù)支持[1-3]。工廠車間的工作環(huán)境復(fù)雜，且人流量較大，車間中的環(huán)境變化影響著工人的工作效率和生產(chǎn)安全，如不適宜的燈光會(huì)使得工作人員產(chǎn)生視覺疲勞，化工材料加工車間的有毒氣體嚴(yán)重威脅著人們的身體健康。因此對(duì)工廠車間的關(guān)鍵環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)十分必要。本文設(shè)計(jì)了基于ARM+OneNET云平臺(tái)的工廠車間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，針對(duì)工廠內(nèi)溫度、濕度、光線和空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并上傳至OneNET云平臺(tái)。管理人員可以了解到工廠車間內(nèi)環(huán)境變化情況和設(shè)備的運(yùn)行情況。此系統(tǒng)智能化程度高、可拓展性強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中有著重要意義。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由主控芯片、檢測(cè)模塊、控制模塊、通信模塊和OneNET云平臺(tái)組成。檢測(cè)模塊由各環(huán)境傳感器組成，包括溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器。控制模塊主要依據(jù)環(huán)境參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)對(duì)車間內(nèi)日光燈、空調(diào)、加濕器、蜂鳴器的控制。通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

檢測(cè)模塊將獲取的車間環(huán)境信息，包括溫度、濕度、光強(qiáng)、空氣質(zhì)量，傳遞給主控芯片，主控芯片根據(jù)接收的環(huán)境參數(shù)來(lái)決策控制模塊的動(dòng)作，并將數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊上傳至OneNET云平臺(tái)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件由STM32主控芯片、復(fù)位電路、晶振電路、溫濕度傳感器模塊、光強(qiáng)傳感器模塊、空氣質(zhì)量傳感器模塊、通信模塊、繼電器、蜂鳴器組成。硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路

2.1 主控芯片及外圍電路

本系統(tǒng)選用的主控芯片為STM32F103VET6，該款芯片包含100個(gè)引腳，工作頻率可達(dá)72 MHz；其內(nèi)部資源十分豐富，包含多個(gè)ADC、定時(shí)器和通信接口，可滿足不同情況下的使用需求。在主控芯片基礎(chǔ)上設(shè)置了復(fù)位電路，當(dāng)復(fù)位按鍵按下時(shí)會(huì)重置內(nèi)部寄存器以及片內(nèi)SRAM。晶振是整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的心臟，系統(tǒng)選用8 MHz的晶振提供時(shí)鐘信號(hào)。

2.2 溫濕度傳感器

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工廠內(nèi)溫濕度的變化情況，選擇了DHT11作為溫濕度傳感器。DHT11由電阻式感濕單元和NTC測(cè)溫元件組成，輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)量[4]，具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性高、數(shù)據(jù)精準(zhǔn)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)[5]。

2.3 光強(qiáng)傳感器

選用GY-30光強(qiáng)傳感器模塊來(lái)檢測(cè)車間內(nèi)環(huán)境光變化，該模塊以BH1750FVI為核心，感光范圍可達(dá)1～65535 lx；其內(nèi)部的光電二極管檢測(cè)到光模擬量，再由模塊內(nèi)部ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，直接通過(guò)I2C總線與主控制器通信[6]。該款傳感器適用范圍廣泛、分辨率高、可靠性強(qiáng)。

2.4 空氣質(zhì)量傳感器

本系統(tǒng)選用MQ-135傳感器來(lái)檢測(cè)工廠內(nèi)空氣質(zhì)量。該傳感器輸出端口有兩個(gè)，分別是DO和AO，其中DO用于輸出數(shù)字量，AO用于輸出模擬量。當(dāng)被檢測(cè)環(huán)境的空氣質(zhì)量達(dá)到閾值時(shí)，MQ-135的DO輸出高電平。AO輸出的模擬量連接到主控制器上的ADC模塊來(lái)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)MQ-135檢測(cè)數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值時(shí)，可觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。

2.5 通信模塊

本設(shè)計(jì)通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到OneNET云平臺(tái)，ESP8266模塊通過(guò)TCP/IP協(xié)議完成數(shù)據(jù)到WiFi信號(hào)的轉(zhuǎn)換[7]。ESP8266可通過(guò)AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)不同工作模式的轉(zhuǎn)換，一般分AP、STA、AP+STA三種工作模式。該傳感器性能穩(wěn)定、能耗低、集成度高，非常適合于工廠環(huán)境使用。

2.6 繼電器

為改善工廠內(nèi)的環(huán)境，需要遠(yuǎn)程對(duì)車間內(nèi)的部分電器如空調(diào)、加濕器、日光燈進(jìn)行控制，而單片機(jī)無(wú)法直接對(duì)這些大功率電器進(jìn)行控制。因此，在本設(shè)計(jì)中使用繼電器實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)大功率電器的控制。通過(guò)主控芯片控制繼電器的通斷，進(jìn)而完成車間內(nèi)大功率設(shè)備的開啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)弱電對(duì)于強(qiáng)電的控制[8]。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 OneNET云平臺(tái)搭建

OneNET云平臺(tái)由中國(guó)移動(dòng)提供[9]，使用便捷，只需在添加產(chǎn)品時(shí)選擇聯(lián)網(wǎng)方式和設(shè)備接入?yún)f(xié)議以及其他產(chǎn)品信息。本系統(tǒng)基于MQTT協(xié)議以WiFi聯(lián)網(wǎng)方式與OneNET平臺(tái)進(jìn)行通信。MQTT協(xié)議基于TCP/IP協(xié)議，具有輕量化、成本低、開放性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中[10]。將各傳感器讀取到的數(shù)據(jù)按照固定的報(bào)文格式進(jìn)行封裝后，發(fā)送至OneNET平臺(tái)。

3.2 WiFi通信模塊程序設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)上電后，按下復(fù)位鍵，即可開始對(duì)WiFi模塊進(jìn)行配置并與OneNET云平臺(tái)進(jìn)行連接。程序通過(guò)AT指令完成以下功能：設(shè)置SAT模式、連接路由器、進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ健⑦B接服務(wù)器。

3.3 程序功能設(shè)計(jì)

傳感器模塊實(shí)時(shí)采集工廠車間內(nèi)環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至云平臺(tái)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，按下復(fù)位按鍵，開始連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器，同時(shí)各傳感器模塊開始采集數(shù)據(jù)。當(dāng)光強(qiáng)傳感器檢測(cè)數(shù)值低于或高于閾值時(shí)（設(shè)置為300 lx），主控制芯片打開車間內(nèi)燈光。當(dāng)溫度高于或低于設(shè)定閾值時(shí)（設(shè)置為低溫20 ℃，高溫30 ℃），打開空調(diào)或關(guān)閉空調(diào)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。當(dāng)濕度高于或低于閾值時(shí)（設(shè)置為30%），打開或關(guān)閉加濕器；當(dāng)空氣質(zhì)量傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)高于閾值時(shí)（設(shè)置為3 000），觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警。在OneNET云平臺(tái)上也可實(shí)時(shí)觀察各可控設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。程序流程如圖3所示。

圖3 程序流程

3.4 系統(tǒng)測(cè)試

OneNET云平臺(tái)實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)上傳的各傳感器數(shù)據(jù)并標(biāo)明工廠內(nèi)設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)。結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期，如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)技術(shù)與OneNET云平臺(tái)相結(jié)合，能夠針對(duì)工廠內(nèi)關(guān)鍵環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)控，并讓后臺(tái)人員了解到環(huán)境參數(shù)變化和設(shè)備啟用情況。為工廠工人提供一個(gè)安全、舒適的環(huán)境，提高了工廠的智能化程度。